Если ротор двигателя в момент обрыва находится во вращении, то Мпр>Мобр и при Мрез>Ма двигатель продолжает вращаться; однако максимальный момент Afmax оказывается существенно меньшим, чем при неповрежденной фазе. При переходе двигателя в однофазный режим частота вращения практически не изменяется, поэтому мощность на валу также остается приблизительно одинаковой. Но отношение токов в этих режимах

А з=311з cos срз/(2т11 cos cpi), (4.91)

где индекс 1 относится к однофазному режиму, а 3 - к трехфазному. Поэтому при условии Tii = T]3 и созф1 = соЗфз ток /[ в однофазном режиме в 1,5 раза больше, чем в трехфазном. В действитель-

Рис. 4.28. Направления частот вращения и электромагнитных моментов, создаваемых токами прямой и обратной последовательности

НОСТИ кпд и созф в однофазном режиме уменьшаются по сравнению с трехфазным, вследствие чего ток /i возрастает в еще большей степени. Если двигатель работает при нагрузке, близкой к номинальной, то при обрыве фазы его ток становится значительно больше номинального и двигатель быстро перегревается и выходит из строя.

Обрыв фазы обмотки ротора. При несимметрии сопротивлений фаз ротора или обрыве одной из фаз токи в фазах неодинаковы и их можно разложить на токи прямой Угпр и обратной /гобр последовательности.

Ток ротора прямой последовательности /гпр. взаимодействуя с основным магнитным полем Фпр, образует соответствующий электромагнитный момент Мпр (рис. 4.28, а).

Ток ротора обратной последовательности создает магнитное поле, вращающееся относительно ротора в обратном направлении с частотой MiS, а относительно статора

n2o6p = 2-niS=(l-2s) i. (4.92)

Это поле индуцирует в обмотке статора ток /юбр, изменяющийся с частотой /io6p= (1-2s)fi, который накладывается на ток /j часто-

ты fi. Можно считать, что по отношению к этому току обмотка статора замкнута накоротко, так как в питающей сети нет напряжения, изменяющегося с частотой /юбр- Токи статора /юбр и ротора /гобр создают общее обратное вращающееся магнитное поле Фобр, которое, взаимодействуя с током /гобр, образует электромагнитный момент Afo6p.

Рис. 4.29. Механические характеристики асинхронного двигатели при иесиммет-рии сопротивлений фаз ротора (а) и при обрыве фазы (б)

В зависимости от величины скольжения момент Afo6p воздействует на ротор различным образом. При скольжениях 0,5<s<l, согласно (4.92), частота вращения поля ротора Пгобр<0, т. е. обратное поле Фобр вращается относительно статора в обратном направлении (рис. 4.28,6), а ротор вращается против направления этого поля. При этом возникающий электромагнитный момент Л1обр действует на статор в направлении, противоположном частоте вращения П[, а на ротор - в том же направлении, т. е. так же, как и момент Мпр (аналогично, как при питании асинхронного двигателя со стороны ротора, при котором ротор вращается против направления поля). При скольжениях 0<s<0,5 частота вращения Пгобр>0, т. е. обратное поле вращается относительно статора в том же направлении, что и поле Фпр, и момент Afo6p направлен против Afnp (рис. 4.28,0).

При 5 = 0,5 обратное поле неподвижно относительно статора н ток /юбр в обмотке статора не индуцируется. Этот режим может рассматриваться как идеальный холостой ход для токов обратной последовательности, вследствие чего ток /гобр=/2обро-1-(-/юбр) резко уменьшается. Одновременно уменьшаются и токи /гпр-/2обр и /шр, а следовательно, и моменты Afnp и Afo6p. Таким образом, в механической характеристике асинхронного двигателя при s = 0,5 возникает провал (рис. 4.29, а). Это явление называют эффектом одноосного демпфирования. При значительной несимметрии сопротивлений обмотки фазного ротора величина этого провала может

оказаться настолько большой, что двигатель при пуске под нагрузкой не достигает номинальной частоты вращения и застревает при 2 = 0,5/1]. При обрыве одной из фаз ротора электромагнитный момент в области s = 0,5 отрицательный (рис. 4.29,6), вследствие чего двигатель не разгоняется до номинальной частоты вращения даже при пуске без нагрузки. Одновременно возникают также биения тока статора с частотой /=fi-/io6p=2/iS, равной разности частот токов статора /шр и /юбр. При увеличении активного сопротивления ротора (включении реостата) провал в механической характеристике уменьшается.

Вопросы для самоконтроля

1. От каких параметров зависят максимальный момент асинхронного двигателя и критическое скольжение?

2. Как построить механическую характеристику по круговой диаграмме и по каталожным данным?

3. Какие добавочные моменты возникают от действия высших пространственных гармоник магнитного поля и как они влияют на механическую характеристику?

4. Какие добавочные моменты возникают от действия высших гармоник тока при питании обмотки статора несинусоидалькым напряжением?

5. Как выражается условие устойчивости работы асинхронного двигателя и какова зона устойчивости при использовании двигателя в электроприводе с Л1н = const?

6. Как влияют нагрузка иа валу двигателя иа его КПД и коэффициент мощности?

7. Как влияет изменение частоты и напряжения иа энергетические показатели двигателя?

□ 5

Пуск

асинхронных двигателей

При пуске двигателя по возможности должны удовлетворяться основные требования: процесс пуска должен быть простым и осуществляться без сложных пусковых устройств, пусковой момент - большим, а пусковые токи - по возможности малыми. Иногда к этим требованиям добавляют и другие, обусловленные особенностями конкретных приводов, в которых используют двигатели: необходимость плавного пуска, максимального пускового момента и др.

Практически используют следующие способы пуска: непосредственное подключение обмотки статора к сети (прямой пуск), понижение напряжения, подводимого к обмотке статора при пуске, и реостатный пуск.

5.1. Пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

Прямой пуск. Этот способ применяют для пуска асинхронных двигателей малой и средней мощности. Эти двигатели обычно проектируют так, чтобы при непосредственном подключении обмотки статора к сети возникающие пусковые токи не создавали чрезмерных электродинамических усилий и превышений температуры, опасных с точки зрения механической и термической прочности основных элементов машины.

В асинхронных двигателях отношение LjR сравнительно мало (особенно в малых двигателях), поэтому переходный процесс в момент включения характеризуется весьма быстрым затуханием свободного тока. Это позволяет пренебречь свободным током и принимать во внимание только установившееся значение тока переходного процесса.

Двигатели обычно пускаются с помощью электромагнитного выключателя /(-магнитного пускателя (рис. 5.1, а) и разгоняются автоматически по естественной механической характеристике (рис. 5.1, б) от точки Я, соответствующей начальному моменту пуска, до точки Р (пересечения механических характеристик / электродвигателя и приводимого им механизма 2), соответствующей условию М=Мст. Ускорение при разгоне

(5.1)

dQldt = {M-M )lJ,

т. е. оно определяется разностью абсцисс кривых М и и результирующим моментом инерции / вращающихся масс двигателя и приведенного к его валу механизма, который приводится во вращение. Если в начальный

5 м/м

Рис. 5.1. Схема прямого пуска асинхронного двигателя (а) и графики изменения моментов и тока (б)

момент пуска М<.Мст, двигатель разогнаться не сможет.

Недостатком данного способа пуска, кроме сравнительно небольшого пускового момента, является также большой бросок пускового тока, в пять - семь раз превышающий номинальное значение тока. При электрических сетях сравнительно небольшой мощности

это может вызвать значительное понижение напряжения, нежелательное для других потребителей.

Несмотря на указанные недостатки, пуск двигателя путем непосредственного подключения обмотки статора к сети широко применяют благодаря простоте и хорошим технико-экономическим свойствам двигателя с короткозамкнутым ротором: низкой стоимости и высоким энергетическим показателям (т], созфь km).

Пуск при пониженном напряжении. Такой пуск применяется для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором большой мощности, а также для двигателей средней мощности при недостаточно мощных электрических сетях. Понижение напряжения осуществляется следующими способами:

переключением обмотки статора при пуске с рабочей схемы Л на пусковую схему Y. Это можно осуществить с помощью трехпо-люсного переключателя Я (рис. 5.2, а) или контактора. При включении обмотки статора по схеме У напряжение, подаваемое на фазы этой обмотки, уменьшается в /3 раз, что обусловливает уменьшение фазных токов в К 3 раз и линейных токов в три раза. По окончании процесса пуска и разгона двигателя до номинальной частоты вращения обмотку статора переключают обратно на схему А;

включением в цепь обмотки статора на период пуска добавочных активных (резисторов) или реактивных (реакторов) сопротивлений (рис. 5.2,6). При этом на указанных сопротивлениях создаются некоторые падения напряжения Af/д, пропорциональные пусковому току, вследствие чего к обмотке статора будет приложено пониженное напряжение. По мере разгона двигателя снижается ЭДС £28, индуцированная в обмотке ротора, следовательно, и пусковой ток. В результате этого уменьшается падение напряжения Ад на указанных сопротивлениях и возрастает приложенное \ ) к двигателю напряжение. Таким образом,при рассматриваемом способе пуска напряжение, приложенное к двигателю, автоматически растет по мере разгона ротора. После окончания разгона добавочные резисторы или реакторы замыкаются накоротко контактором К1;

подключением двигателя к gg. Схемы включения асинхронно-

сети через понижающий авто- го двигателя при пуске с понижением трансформатор АТр (рис. напряжения 5.2, в). Последний может

иметь несколько ступеней, которые в процессе пуска двигателя переключаются соответствующей аппаратурой.

Недостатком указанных способов является значительное уменьшение пускового и максимального моментов двигателя, пропорциональных квадрату приложенного напряжения. Поэтому их можно использовать только при пуске двигателей без нагрузки.

На рис. 5.3 в качестве примера приведены механические характеристики двигателя при нормальном и пониженном напряжении, т. е. при соединении обмотки статора по схемам У и Л (кривые My и Мл. соответственно). При соединении по схеме У максимальный и пусковой моменты уменьшаются в 3 раза, вследствие чего двигатель не в состоянии осуществить пуск механизма с номинальным нагрузочным моментом Ма.

5.2. Пуск всинхронных двигвтелей с фвзным ротором

Двигатели с фазным ротором конструктивно сложнее двигателей с короткозамкнутым ротором и соответственно дороже их, но они обладают некоторыми достоинствами: большим пусковым моментом и сравнительно малым пусковым током. Это достигается путем включения при пуске в цепь обмотки ротора пускового реостата. В этом случае увеличивается активное сопротивление ротора, вследствие чего точка К на круговой диаграмме (рис. 5.4, а)